高紅星

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xPC在大型船舶電力推進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

高紅星

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

本文主要介紹了xPC系統(tǒng)平臺(tái)在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用。xPC有著很好的可靠性和實(shí)時(shí)性，有豐富的Matlab各種庫文件的支持，同時(shí)結(jié)合穩(wěn)定的現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式，為大型船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)系統(tǒng)提供多種負(fù)載，保證整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能滿足各種試驗(yàn)的要求。從2010年應(yīng)用至今，充分證明xPC試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。

xPC RT系統(tǒng) 電力推進(jìn)系統(tǒng)

0 引言

隨著海洋工程船舶技術(shù)的發(fā)展，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。為了確保設(shè)備研制一次成功，節(jié)省上船調(diào)試的時(shí)間周期，建立電力推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)的重要性日益突出。本電力推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)具有試驗(yàn)精度高、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。控制系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)組成部分如表1所示。

本文主要介紹以上部分中RT系統(tǒng)部分。

1 實(shí)時(shí)系統(tǒng)

實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)部分工作組成：

1）xPC平臺(tái)，包含測(cè)試模型軟件結(jié)構(gòu)、代碼；

2）通信板卡、模擬量采集板卡，包含驅(qū)動(dòng)軟件編寫；

3）測(cè)試過程和結(jié)果。

2 模擬系統(tǒng)平臺(tái)-xPC

xPC Target 是一種高性能的主機(jī)-目標(biāo)機(jī)構(gòu)原型環(huán)境，它能把 Simulnk 模型和 Stateflow 模型和物理系統(tǒng)連接起來并且在低成本的 PC 硬件上實(shí)時(shí)運(yùn)行。xPC Target 提供了系統(tǒng)的快速控制原型和硬件在回路仿真完整的解決方案。利用 xPC Target 可以在主機(jī)上設(shè)計(jì)模型，并用 Real-Time Workshop 和 Stateflow Coder 自動(dòng)生成代碼，最后下載到運(yùn)行 xPC Target 實(shí)時(shí)內(nèi)核的 PC 機(jī)上。用戶可以使用 32 位或 64 位 X86 架構(gòu)的電腦作為實(shí)時(shí)目標(biāo)系統(tǒng)。軟件運(yùn)行在 32 位模式下。

對(duì)于該測(cè)試來說xPC的如下特點(diǎn)特別適合：

1） 在任何一臺(tái) PC 機(jī)上使用實(shí)時(shí)內(nèi)核，可以運(yùn)行來自 Simulink 和 Stateflow 模型，對(duì)研發(fā)人員來說基本Matlab下編寫模型和離線模型的仿真都非常高效；

2） 支持任何 PC 系統(tǒng)，例如 TargetBox、PC/104、PC/104+、CompactPCI、嵌入式PC 機(jī)或其它任何兼容 PC 機(jī)，可以選擇更靈活的接口標(biāo)準(zhǔn)適合系統(tǒng)的要求；

3） 靈活的啟動(dòng)選項(xiàng)，包括 CD，硬盤，CF 卡，網(wǎng)絡(luò)和軟盤；方便研發(fā)人員下載模型后切換到RT模式；

4）根據(jù)處理器的性能水平、模型規(guī)模和 I/O 復(fù)雜程度，采樣率最高可達(dá)到 50 kHz；

5)實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)，這一點(diǎn)對(duì)研發(fā)和操作人員能更好的細(xì)化控制參數(shù)來控制模型的實(shí)際效果；

6)在擴(kuò)展的設(shè)備驅(qū)動(dòng)庫里，支持超過 300 種商業(yè) I/O 板卡，可以選擇合適的通信和模擬量采集模板；

7)開放的硬件驅(qū)動(dòng)環(huán)境，支持系統(tǒng)集成方和硬件生產(chǎn)方提供的第三方驅(qū)動(dòng)，為以后的系統(tǒng)擴(kuò)展性留有足夠的接口資源。

在編寫軟件前需要先定義基本的軟件框架，實(shí)際基本控制框架（信息流）如下圖2所示。

輸入，從而形成閉環(huán)，既可實(shí)現(xiàn)速度反饋控制也可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩反饋控制。目標(biāo)機(jī)中運(yùn)行由MATLAB xPC工具包所生成的RTOS實(shí)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)核，用于高效、實(shí)時(shí)運(yùn)行控制模型，并將模型參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)通過網(wǎng)絡(luò)連接傳遞給宿主機(jī)顯示。圖3是軟件代碼具體實(shí)施的框架（流程）。

如圖2所示，裝有AI模擬量采集模塊以及PROFIBUS通訊模塊的目標(biāo)機(jī)通過PROFIBUS直接與變頻器連接，驅(qū)動(dòng)被控電機(jī)。電機(jī)扭矩及轉(zhuǎn)速值通過AI板卡反饋至目標(biāo)機(jī)，在控制程序中作為比較值。

如圖3所示，完成整個(gè)系統(tǒng)所需軟件流程為：

1）在宿主機(jī)通過MATLAB自帶xPC explorer功能創(chuàng)建RTOS系統(tǒng)內(nèi)核，并保存成目標(biāo)機(jī)啟動(dòng)盤形式（可為軟盤、CF卡或光盤），通過該啟動(dòng)盤啟動(dòng)目標(biāo)機(jī)即進(jìn)入xPC系統(tǒng)模式。

2）在宿主機(jī)上應(yīng)用SIMULINK建立控制模型，并通過RTW workshop生成可高效執(zhí)行的C代碼，將該模型代碼通過網(wǎng)絡(luò)連接加載進(jìn)目標(biāo)機(jī)xPC系統(tǒng)。

3）目標(biāo)機(jī)的PROFIBUS板卡和AI板卡采集到的數(shù)據(jù)通過模型預(yù)置輸入輸出參數(shù)參與運(yùn)算。

4）模型運(yùn)行的實(shí)時(shí)參數(shù)與目標(biāo)機(jī)LabVIEW編寫人機(jī)界面進(jìn)行交互，可動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。

5)模型軟件編寫界面如下圖4所示。

3 板卡驅(qū)動(dòng)軟件

如上文所述，控制系統(tǒng)主要用到了PROFIBUS通信板卡和模擬量采集板卡，通常板卡廠家會(huì)提供基本的庫文件，需要在此基礎(chǔ)上編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件，讓板卡融于到整個(gè)系統(tǒng)中。相對(duì)而言通信板卡比模擬量板卡復(fù)雜一些，下文以通信板卡為例，說明軟件編寫過程。

實(shí)際應(yīng)用中采用CIF 50-PB板卡，主要包括兩部分內(nèi)容，一部分是xPC環(huán)境下，通過CIF 50-PB板卡讀/寫PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)時(shí)信號(hào)；另一部分是建立xPC Target與人機(jī)界面軟件的接口。

圖4 軟件界面示意圖

3.1 基本功能

1）自定義從站

用戶可自行指定所連從站類型、數(shù)量以及和主站的通訊數(shù)據(jù)格式，只需要改動(dòng)驅(qū)動(dòng)頭文件中的參數(shù)即可。

2）采樣時(shí)間自定義

用戶可自行設(shè)定采樣時(shí)間。

3）錯(cuò)誤信息報(bào)警提示

3.2 實(shí)現(xiàn)功能

1）CIF 50-PB卡主要實(shí)現(xiàn)XPC與PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通訊; 2）xPC Target與LabVIEW的接口，主要實(shí)現(xiàn)通過LabVIEW程序來控制XPC中模型參數(shù)的控制。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)來說，最重要是兩個(gè)方面，實(shí)時(shí)性和容錯(cuò)性，下文為主要測(cè)試結(jié)果。

4.1運(yùn)行效率

主要影響運(yùn)行效率的因素為：a)所連模擬量輸入的多少；b)在人機(jī)界面顯示內(nèi)容的多少； c)通信數(shù)據(jù)量大小影響明顯小于通信速率，高通信速率下需要考慮光網(wǎng)絡(luò)代替電網(wǎng)絡(luò)；d)在無I/O輸入，不打印屏幕信息的情況下運(yùn)行一個(gè)二階系統(tǒng)模型周期為10ms，運(yùn)行10階系統(tǒng)模型時(shí)間為15ms；e)模擬實(shí)際運(yùn)行，輸出參數(shù)信息，并與變頻器、電機(jī)共同工作于閉環(huán)情況下執(zhí)行周期為5 ms。

4.2 錯(cuò)誤處理

在整個(gè)通訊線路出現(xiàn)故障如通訊線斷開，主、從站故障時(shí)：a)xPC系統(tǒng)停止運(yùn)行及一切數(shù)據(jù)傳輸；b)人機(jī)界面顯示詳細(xì)錯(cuò)誤信息；c)變頻器保持接收數(shù)據(jù)不變，防止電機(jī)狀態(tài)出現(xiàn)突變，然后變頻器顯示通信故障，通過故障停機(jī)。

5 結(jié)束語

經(jīng)過多年的使用，證實(shí)了控制系統(tǒng)在測(cè)試臺(tái)中功能非常實(shí)用，即適合研發(fā)人員很容易在Matlab平臺(tái)上建立模型、仿真模型；也適合操作人員實(shí)時(shí)控制模型的運(yùn)行參數(shù)；后期擴(kuò)展新的測(cè)試模型也非常方便。整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性完全滿足測(cè)試系統(tǒng)要求。

[1] xPCTarget help. The MathWorks.Inc, 2008.

[2] SIEMENS. TIA/PLC/WinCC/工業(yè)通信系列文檔.

[3] 薛定宇等. 基于 MATLAB/Simulink系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用. 北京：清華大學(xué)出版社, 2002.

Application of xPC System to Electric Propulsion System for A Large Ship

Gao Hongxing

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan430064,China)

TP273

A

1003-4862（2017）05-0005-03

2016-11-15

高紅星（1972-），男，高級(jí)工程師。研究方向：電力電子與電氣傳動(dòng)技術(shù)。